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風電技術經濟前景展望 2015-09-12 18:08:40

摘要:目前,風電技術愈加成熟,新型技術不斷出現,專項技術有所突破,適應范圍愈加廣泛,運行水平逐步提升。

  風電技術發展趨勢
       (一)世界風電技術趨勢
       近年來,各國在加大風電技術推廣應用的同時,繼續注重技術研發。目前,風電技術愈加成熟,新型技術不斷出現,專項技術有所突破,適應范圍愈加廣泛,運行水平逐步提升。總體來看,世界各國的風電技術發展呈現單機容量不斷增大、容量系數與風速區間不斷提高、適應溫度更加廣泛、風功率預測精度穩步提升、可用率不斷提高等特點。
       (二)我國風電技術趨勢
       我國風電技術發展趨勢與世界趨于一致,同時我國又具有自身的特點。高海拔區域風電技術逐漸突破。高海拔地區空氣稀薄,風功率密度低,電機絕緣性能較差,電機散熱不良。相比低海拔區域,高海拔區域風機建設、運營以及維護面臨更大挑戰。鑒于高海拔區域具有較好的風力資源,我國相關科研機構、政府部門以及企業聯合技術攻關,已經在云貴高原、青藏高原等高海拔地區建設并運營風電項目,推動了技術進步,同時也促進了當地經濟的發展。
       單機容量增加更為迅速。我國新增風電裝機單機容量呈逐年上漲態勢,2005年新增風機單機容量849.7千瓦,2013年增加至1720千瓦,增加近一倍。2013年新增裝機中,1.5兆瓦機型5466臺,其余3692臺單機功率均大于1.5兆瓦,1.5兆瓦機型已經成為基本機型。
       直驅式技術得到推廣。直驅風力發電機由風力直接驅動發電機,省略齒輪這一部件,亦稱無齒輪風機。直驅風機可有效減少風機運行故障,而且具備高效率、低噪音以及高壽命等優點。目前,我國部分風電制造企業與外企合作,已經為多數風電運營企業供應了大量直驅風機,如金鳳科技與德國Vensys公司合作研制出了1.5兆瓦直驅式風機,目前已經運行數千臺;湘電公司研制的2兆瓦直驅式風機也已進入市場,其中5兆瓦直驅式風機也已經開始運行。2013年新增大型風電機組中,永磁式直驅式風電機組約占33%。我國低風速的三類風區占到全部風能資源的50%左右,直驅式風機具有較大的發展空間。
       變槳變速功率調節技術得到廣泛應用。變槳距功率調節方式具有載荷控制平穩、安全和高效等優點。風機采用變槳距技術后,可通過改變槳距角獲取風機需要的轉矩,即調整槳距角予以改變氣流對葉片的攻角,從而改變風電機組對空氣動力的獲取,保持功率穩定(高風速),或提高風能利用效率(低風速)。變速恒頻技術允許風機轉速變化,而輸出頻率保持穩定,通常與變槳距技術聯合應用。2013年,我國安裝的風電機組全部采用了變槳變速恒頻技術,而且2兆瓦以上風電機組大多采用三個獨立的電控調槳機構,通過三組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環控制。
       全功率變流技術得到應用。全功率變流技術是指在發電機定子與電網之間接入變頻器(功率與發電機相同),發電機電流經過整流、逆變后成為與電網電壓以及頻率相同的電力。全功率變流技術在發電機故障時可進行無功輸出,維持電壓穩定。此種技術可較好解決低電壓穿越問題,實現與電網友好型發展,是風電技術發展的一種趨勢。
       目前,我國風電機組葉片長度不斷增加,關鍵零部件故障率不斷降低,風電機組可靠性能日趨提升。隨著我國風電裝機規模不斷擴大,新型技術有望繼續出現,同時成本將有望繼續降低。
       二、風電成本研究
       (一)世界主要國家風電成本特點
       風電成本逐漸下降。從投資成本(包括風機、并網、基建、其他設施以及安裝等等)來看,2009年全球風電投資成本為每千瓦1450~2600美元。隨著原材料(鋼鐵、銅)成本逐漸下降、供需情況出現逆轉以及制造商競爭激烈等因素影響,目前全球風電成本有所下降而且范圍更加寬泛,達到每千瓦1100(中國)~2600美元(日本),其中美國與西歐分別為每千瓦1600美元以及1700美元。相比2008年,2013年,全球(不含亞洲)風電投資成本已經下降近1/3,具體如圖1所示。
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在部分風力資源豐富的國家,風電已經幾乎可以和常規電源競爭。例如,巴西、澳大利亞、智利、墨西哥、新西蘭、土耳其以及南非等國家的陸上風電幾乎可以和新建燃煤機組以及新建燃氣機組競爭。
       各國風電成本差異顯著。各國環境差異顯著,發展規模不一,技術研發情況有所不同。在多種因素影響下,中國、美國、丹麥以及西班牙等風電大國成本較低,而日本等國平均成本仍然較高。2012年,中國風機平均成本為每千瓦436.6歐元,單位造價(即投資成本)為每千瓦1220歐元。相比之下,日本風機成本為1740歐元/千瓦,造價為每千瓦2610歐元(海上風電成本較高也是影響其他國家風電成本較高的部分原因)。
       風電造價規模效益明顯。伯克利實驗室對美國2012年建造的部分電站進行分析,結果顯示,電站裝機規模從小于5兆瓦到50-100兆瓦,單位投資成本隨規模增加明顯下降;大于100兆瓦時,規模經濟逐漸消失。另外,風電單機容量也呈現出一定的規模效應,即風電平均單位造價隨著單機容量增加而降低,尤其在低容量時這一現象尤為明顯。
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       (二)我國風電成本現狀
       2006~2013年,我國風電造價總體呈下降趨勢。其中,2007~2009期間風電投資成本有所回升,一方面由于風機成本上漲,另一方面與勞動力成本以及并網成本上升等因素相關。2009~2013年,我國風機供不應求局面得到緩解,隨著規模化應用以及技術不斷進步,風電造價重新回歸下降趨勢,2013年已經跌至每千瓦8000元左右。
       (三)風電成本預測
       1.研究方法介紹
       從國際主要研究機構(IEA、PCC、EIA等)研究方法來看,可將規模效應作為影響投資成本的重要因素。另外,從世界以及我國風電發展歷程來看,世界風電裝機每年以近20%的規模增長(2003~2011),我國多年累計風機增長速率超過100%,而且中長期目標顯示出明顯的規模潛力。基于以上考慮,本文假定規模效應是影響價格的主導因素,結合相關機構研究成果,利用學習曲線對我國風電投資成本進行預測,即根據風電裝機規模預測風電成本。若學習率為10%,即風電規模增加一倍,單位成本下降10%。度電成本是投資者考慮的主要因素之一。考慮到投資成本、運行成本以及貼現率等多種因素對度電成本的影響,本文采用國際上常用評價方法——平準化發電成本——進行研究(Levelized Cost of Electricity, LCOE),即各項費用考慮貼現率后,單位電量的平均成本。
       2.國外風電學習曲線及風電成本研究進展介紹
       美國能源部對美國風電造價進行了統計分析,1982~2012年期間,美國風電學習率為7.2%,982~2004期間學習率為14.1%,未來風電造價仍有下降空間。IPCC匯總了主要文獻關于風電造價學習率的成果,世界各國風電造價學習率位于4%~32%區間(最早時期為971年左右),從最新時期來看,風電造價學習率為9%~19%。
       IEA指出,通過優化設計、風機結構改造以及優化運行等手段,2030年風電平準化發電成本可降低20%(相比2010年);同時IEA對主要專家關于平準化發電成本的研究成果進行了匯總,根據具體情況,2030年LCOE可比2011年降低0~40%。
       3.我國陸上風電成本研究
       考慮到早期風電技術處于研發示范階段、2006~2008期間風電無序發展以及其他因素影響,本文以2009~2013年風電造價為基礎對2020年進行預測。綜合多種因素影響,采用多種學習率情景進行了分析。其中:
       8.8%學習率情景:假設未來成本符合2009~2013年趨勢,學習率為8.8%。
       0%學習率情景以及5%學習率情景:考慮到市場供求關系對價格影響、地形條件影響以及不當競爭影響,未來學習率可能偏低,本文以0%以及5%學習率予以替代。
       2009~2013年新增風電學習系數E=0.132,學習率LR=8.8%。各情景下風電造價預測如下表所示。
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       \0%學習率情景顯示,2020年我國陸上風電造價為每千瓦8298元,LCOE為每千瓦時0.406,相應電價為每千瓦時0.593元;在2020年目標完全實現的前提下,而且年裝機規模發展平穩,5%學習率情景可能實現,屆時風電造價將為每千瓦7141元,LCOE以及電價分別為每千瓦時0.349元以及每千瓦時0.509元;受地理環境、人工成本等因素影響,2009~2013期間風電成本降低趨勢難以復制,8.8%學習率情景難以實現。
       三、建議
       根據世界以及我國風電技術發展趨勢,以及對我國風電經濟特性分析,提出建議如下:
       統籌產業鏈發展。目前風電產業已經不僅僅限于發電領域,還涉及到信息通訊、控制以及氣象預測等領域,建議以風電產業鏈為基礎,統籌考慮各領域對風電的影響,加大各部門各領域對技術研發的投入,推動涉及風電行業的各領域共同并積極參與風電相關技術研發,提高風電技術整體競爭力,促進風電與電網友好型發展,同時也為提高風電國際競爭力打下堅實基礎。
       完善技術研發體系建設。學習曲線效應顯示,按照目前發展速度,2020年新建風電仍然難以與煤電相競爭,提高風電競爭力,必須進一步通過技術進步降低成本。我國風電企業數量較多,競爭較為激烈,導致重復性技術研發頻繁發生,資源浪費嚴重,建議國家應建立大型公共研發示范平臺,聯合多家實力較強企業,加大對先進技術的研發以及攻關;同時加大對國家重點實驗室資金投入,并盡快推動科研成果向實際應用轉化;進一步建立完善的技術評級制度以及知識產權保護制度,提高企業技術研發積極性以及進一步加快企業間技術交流;進一步完善技術標準,引導企業公平競爭。
       充分發揮學習曲線最大效應。受多種因素影響,各國學習曲線均不相同。我國風電發展規模相比其他國家較大,而且發展速度較快,提升我國風電學習率潛力較大。研究結果顯示,我國陸上風電8.8%學習率情景相比5%學習率情景系統造價低11.3%左右。為充分發揮學習曲線效益,需合理規劃產業發展,注重地域布局,合理銜接產業各個環節,制定適度年度目標,提高勞動者技能,改進加工工藝,不斷積累工作經驗,推動產業平穩發展,降低產業成本。
       從各個環節降低風電LCOE。在項目前期過程中,注重資源選擇,重視微觀選址,落實電量輸送與消納;在建設施工階段,應注重優化系統設計,重視工程質量;在設備采購環節注重價格控制與質量把控,同時注重先進技術的應用與推廣;在運營過程中,重視功率預測系統的應用,提高運營人員素質,強化管理,提高系統可靠性;在運營模式方面,應不斷創新,發展風光互補或風氣互補等新型模式;在融資方面,應創新商業模式,改善融資結構,爭取國家支持。(《
華能集團》)

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